淺談工程教育認(rèn)證背景下的化工分離工程教學(xué)

＊邱健豪 張雄飛 顧曉利 徐勇 王飛 姚建峰

（南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 江蘇 210037）

自2016年正式成為《華盛頓協(xié)議》的成員后，我國的工程教育開始走向世界、面向世界[1]。但與此同時，對工程教育的踐行者（教師）和學(xué)習(xí)者（學(xué)生）提出了更高的要求。而要求自然也是源于工程教育認(rèn)證的目標(biāo)而提出：（1）改革是動力的源泉，持續(xù)改革才能不斷提高教育質(zhì)量；（2）為黨育人，為國育才，要為不斷發(fā)展的社會和企業(yè)培養(yǎng)適用型和實用型人才。為了實現(xiàn)和達(dá)成以上要求，必須將工程教育認(rèn)證的核心理念轉(zhuǎn)變?yōu)榻逃虒W(xué)理念，主要包含以下幾個方面：（1）以學(xué)生為中心；（2）以培養(yǎng)目標(biāo)、教育產(chǎn)出和實際成效為導(dǎo)向；（3）以全體學(xué)生共同達(dá)標(biāo)為目標(biāo)；（4）以持續(xù)改進(jìn)促進(jìn)質(zhì)量提升為手段[2]。因此，不論是達(dá)到要求還是踐行理念，貼合工程教育認(rèn)證且行之有效的教學(xué)改革極為關(guān)鍵。

分離工程是化學(xué)工程學(xué)科的重要分支，以研究混合物分離與提純?yōu)槟繕?biāo)的工程學(xué)科。作為清潔工藝的重要組成部分，分離工程在提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和產(chǎn)品質(zhì)量中起到舉足輕重的作用，尤其是在當(dāng)下實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的大背景下。為了契合工程教育專業(yè)認(rèn)證并針對目前分離工程教學(xué)現(xiàn)狀及問題，該課程的教學(xué)應(yīng)圍繞課程內(nèi)容、教學(xué)模式及考核評價機(jī)制等持續(xù)改進(jìn)與完善，以期培養(yǎng)出整體較為優(yōu)秀的化學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)生并為他們未來在該專業(yè)上的進(jìn)一步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

1.化工分離工程教學(xué)現(xiàn)狀及問題分析

分離工程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和實踐性、內(nèi)容涉獵面廣、跨度大、知識點多等特點，囊括精餾、吸收、萃取及膜分離等具體單元操作的原理、選型及計算問題。然而與之矛盾的是較少的課時量（一般為32課時），這就為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)造成了較大的考驗。具體來說，面臨的現(xiàn)狀和教學(xué)方面的問題主要有以下兩點。

(1)分離工程課程本身的特征

由于分離工程涉及的分離單元種類較多，就不可避免的存在較多的概念、物理量及公式。例如多組分分離基礎(chǔ)這一章包括分離過程設(shè)計變量的確定及相平衡關(guān)系、泡/露點、單級平衡分離過程（等溫閃蒸及絕熱閃蒸）的計算[3]，所涉及的物理量及指定的表示符號有60個，涉及的公式更是多達(dá)94個。對于大量繁瑣的理論和公式，例如逸度系數(shù)計算涉及的維里方程、范德華方程、RK方程、BWR方程等以及活度系數(shù)計算涉及的范拉爾方程、馬格勒斯方程、威爾遜方程、有規(guī)雙液方程等，這些方程較為復(fù)雜抽象且相應(yīng)的案例較少，學(xué)生聽課往往晦澀難懂、不知所云；此外，正是因為缺乏應(yīng)用案例，學(xué)生很難體會這些公式學(xué)起來有什么用、如何用，更不知孰輕孰重，最終致使對分離工程課程的學(xué)習(xí)興味索然。

(2)教師教和學(xué)生學(xué)的方式和狀態(tài)

分離工程的授課模式依然是以教師講授、學(xué)生被動灌輸為主，但是由于該課程內(nèi)容多、學(xué)時短，教師不僅做不到面面俱到而且上課節(jié)奏可能較快，因此很容易使學(xué)生對課程內(nèi)容的接收度低，最終所取得的教學(xué)效果較差。同時，這種“填鴨式”教育又與分離工程課程較強(qiáng)的應(yīng)用性和實踐性特征相互矛盾，因為這種授課模式很難做到理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。同樣在以卷面分?jǐn)?shù)為主要指標(biāo)的課程考核與評價上，得高分的同學(xué)往往是理論基礎(chǔ)比較扎實的，但并不代表其具備較強(qiáng)的工程思維和解決實際工程問題的能力[4]，這就很難達(dá)到工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)要求。因此，在這種教育模式下，是無法準(zhǔn)確的考查學(xué)生是否掌握了解決實際工程問題的能力。此外，不容忽視的一點是考研對學(xué)生學(xué)和老師教狀態(tài)和效率的影響。由于分離工程課程的開課學(xué)期（大三或大四）與學(xué)生準(zhǔn)備考研的時間重合且分離工程一般不是應(yīng)試科目，學(xué)生不愿為他們所認(rèn)為的“不重要課程”花費時間，這就進(jìn)一步使得對分離工程的教學(xué)難上加難。更不幸的是，學(xué)生學(xué)的狀態(tài)會影響老師教的狀態(tài)，讓老師形成“得過且過”的錯誤心理。還有一點同樣會影響學(xué)生學(xué)的狀態(tài)，分離工程每章節(jié)內(nèi)容大都是相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)與深入，而該課的上課周期一般為一周2個課時，間隔較長外加期間其它課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)會使得學(xué)生很容易忘記上節(jié)所學(xué)內(nèi)容，繼而對新內(nèi)容的接納程度較低，由此形成極為不利的惡性循環(huán)。

綜上，針對課程本身特征和老師教與學(xué)生學(xué)的方式和狀態(tài)帶來的一系列分離工程教學(xué)現(xiàn)狀和問題，考慮到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)要求，可行且有效的教學(xué)改革勢在必行。

2.化工分離工程教學(xué)模式改革探索

改革的出發(fā)點和執(zhí)行者主要是教師，核心理念是以學(xué)生為中心。根據(jù)分離工程課程的培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，提出了以下幾點改進(jìn)措施：（1）優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容；（2）強(qiáng)化案例式教學(xué)；（3）加強(qiáng)和引導(dǎo)學(xué)生參與；（4）優(yōu)化考核評價機(jī)制。

(1)優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容

針對分離工程課程內(nèi)容大、難點多與課時少相矛盾的現(xiàn)狀，要想在有限的時間里做到事半功倍，必須對教學(xué)方案和授課內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)。首先是精簡內(nèi)容，由于分離工程涉及了較多的化工原理及物理化學(xué)等先修課程的基本知識點，對它們進(jìn)行有計劃性的精簡能夠突顯出分離工程課程的特色與實際應(yīng)用方向。例如逸度系數(shù)和活度系數(shù)的計算在化工熱力學(xué)中有詳細(xì)的介紹，在分離工程中我們只需要簡單介紹并告知學(xué)生逸度系數(shù)是汽相組成的函數(shù)而活度系數(shù)是液相組成的函數(shù)即可。其次是突出重點，需要學(xué)生掌握的內(nèi)容重點講解而弱化只需要了解的部分；弱化對公式的推導(dǎo)過程，側(cè)重對公式的應(yīng)用過程。最后是構(gòu)建框架，每一節(jié)（章）的內(nèi)容一般都是循序漸進(jìn)、息息相關(guān)的，框架的合理構(gòu)建能夠讓學(xué)生明確地定位和梳理每一節(jié)（章）的內(nèi)容，進(jìn)而增強(qiáng)理解、加深記憶。例如多組分分離基礎(chǔ)這一章的基礎(chǔ)是相平衡的計算，隨后遵循泡點（塔釜的液相）計算→露點（塔頂?shù)钠啵┯嬎恪W蒸（一個平衡級的汽液兩相）計算的框架展開；再如精餾這一章先掌握了多組分精餾的原理和計算，隨后在此基礎(chǔ)上層層展開了對共沸精餾、萃取精餾及加鹽萃取精餾的理論學(xué)習(xí)和計算。優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容是使學(xué)生高效學(xué)習(xí)分離工程的前提和基礎(chǔ)。

(2)強(qiáng)化案例式教學(xué)

高等教育學(xué)會會長瞿振元曾說：“沒有高質(zhì)量的課堂教學(xué)就沒有高質(zhì)量的高等教育”[5]。因此，要提高分離工程的教學(xué)質(zhì)量，課堂教學(xué)及相關(guān)的教學(xué)模式改革依然是關(guān)鍵和核心。案例式教學(xué)是指在講授課程內(nèi)容之前或之后提出的與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的案例問題，通過案例問題的解決來加深對相關(guān)原理或公式的理解和運用。在課程之前提出能夠引起學(xué)生的好奇、興趣和求知欲并啟發(fā)他們思考解決問題的方法，這樣教師會帶有目標(biāo)性地來講授本節(jié)內(nèi)容，而學(xué)生便帶著疑問來學(xué)習(xí)解決這個疑問的原理或公式（又稱PBL（Problem Based Learning）式案例教學(xué)），有助于提高他們對分離工程學(xué)習(xí)的積極性。例如在講授通過泡/露點方程確定混合物相態(tài)時可以通過以下問題引出：在工廠中有密閉的球罐或儲罐盛裝有易燃易爆的液體，如果夏天天氣很熱的時候，如何簡單地判斷液體是否被汽化而可能導(dǎo)致事故的發(fā)生呢？這樣便會激發(fā)學(xué)生們的正義感和使命感來避免事故發(fā)生，由此學(xué)習(xí)熱情高漲并發(fā)現(xiàn)學(xué)好分離工程是很有用的；再如在引出特殊精餾的講授時，提問學(xué)生如何通過精餾來分離乙醇-水這類會形成共沸物的混合體系等。在講授課程知識點之后提出案例問題能夠讓同學(xué)們及時體會并熟知原理或公式的應(yīng)用環(huán)境及重要性，有助于強(qiáng)化理解、加深記憶。例如在講授完共沸組成與壓力的關(guān)系后，提問學(xué)生對于乙醇-水物系，如何通過調(diào)控壓力來獲得純乙醇。此外，教材上與需重點掌握知識點相關(guān)聯(lián)的例題或課后習(xí)題應(yīng)在講授完該知識點之后及時穿插講解。

(3)加強(qiáng)和引導(dǎo)學(xué)生參與

積極加強(qiáng)和引導(dǎo)學(xué)生參與到教學(xué)過程中能夠有效避免他們在課堂上不專心，并使他們在參與過程中獲得成就感，由此調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)分離工程的積極性和主動性。主要表現(xiàn)方式有2種：①教師為主體，加強(qiáng)師生互動。最簡單的就是在課堂上多增加提問環(huán)節(jié)，使學(xué)生們注意力保持集中；或是通過案例來增強(qiáng)學(xué)生參與，例如在講授萃取精餾和恒沸精餾時，可以從無水乙醇的生產(chǎn)過程中引出，指引學(xué)生設(shè)計分離方案并研究其可行性，最終確定最優(yōu)方案并設(shè)計具體步驟[7]；②學(xué)生為主體，教師從旁指導(dǎo)。改變以往較為死板的“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式，教師通過布置與課程相關(guān)的實際工程案例作為任務(wù)，將學(xué)生分組并通過查閱文獻(xiàn)來制定可行的方案然后通過PPT向大家講解。相關(guān)工程案包括果汁濃縮、啤酒花提純、生物酶類藥物制取[4]、CO2吸收、吸附及膜分離等。由此不僅能夠提升學(xué)生們的自主學(xué)習(xí)能力，還能使學(xué)生們的工程思維得到有效鍛煉。此外，我校額外開設(shè)了涉及萃取精餾、液液萃取以及膜分離的分離工程專業(yè)實驗課，且課時另算。實驗教學(xué)相對于理論教學(xué)更具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性及啟發(fā)性等特點，學(xué)生通過實驗?zāi)軌蛴H身熟悉分離裝置及工藝流程、感悟分離原理，有助于進(jìn)一步消化課堂理論知識，由此獲得良好的教學(xué)效果[8]。最后，為了保持課堂的連貫性及延續(xù)性、加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解及記憶，已學(xué)內(nèi)容在課后及新課前需得到鞏固和復(fù)習(xí)，作業(yè)的布置尤為重要。以往教師只注重課后作業(yè)的布置，而忽視課前作業(yè)，兩者同時并舉才能將學(xué)習(xí)效果最大化。然而，課前和課后作業(yè)的題型應(yīng)有所區(qū)分，課后重在鞏固原理或公式的應(yīng)用（案例分析、計算或思考），課前重在對知識點的復(fù)習(xí)（名詞解釋或簡答），而且要注意分開課后和課前作業(yè)布置的時間點。需要指出的是，學(xué)生參與的所有過程都要列入最終成績考核。

(4)優(yōu)化考核評價機(jī)制

考核評價機(jī)制是評價教學(xué)效果較為直觀的參考指標(biāo)，同時也為教學(xué)模式的改革提供動力，因此在一定程度上要根據(jù)教學(xué)模式的改革而改進(jìn)。往常分離工程課程的考核一般采用平時表現(xiàn)（30%）和期末考試卷面成績（70%），平時表現(xiàn)又分為出勤率（10%）和課后作業(yè)（20%），這種考核方式具備較為明顯的“輕過程，重成績”弊端[9]。而分離工程又是一門實踐性較強(qiáng)的學(xué)科，高分的卷面成績并不代表具備了較強(qiáng)的工程思維和解決實際工程問題的能力。因此，結(jié)合上文提出的教學(xué)改革舉措，考核評價機(jī)制應(yīng)調(diào)整為20%課堂表現(xiàn)（出勤和師生互動）+15%課后和課前作業(yè)+15%具體工程案例分析+50%期末考試成績。這種考核評價機(jī)制的改進(jìn)強(qiáng)化了分離工程的學(xué)習(xí)過程，弱化了期末考試成績的“一刀切”，在一定程度上避免了學(xué)生“平時不學(xué)，考前突擊”的狀況，并有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和能力。

3.結(jié)語

根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)要求，針對分離工程教學(xué)面臨的現(xiàn)狀及問題，本文通過優(yōu)化教學(xué)方案和授課內(nèi)容、強(qiáng)化案例式教學(xué)、加強(qiáng)和引導(dǎo)學(xué)生參與以及優(yōu)化考核評價機(jī)制等舉措對分離工程的教學(xué)進(jìn)行一系列深入的探索和改革，使該課程的教學(xué)更加適應(yīng)當(dāng)代應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。通過本文對分離工程教學(xué)改革的探究，希望能為相關(guān)院校的工程教育認(rèn)證及提高工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量提供參考。